[论文解读] Key technologies to accelerate the ICT Green evolution -- An operator's point of view

Azeddine Gati, Fatma Ezzahra Salem+18 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 24被引用 19

一句话总结

本文从电信运营商的视角出发，探讨了通过网络基础设施、软件设计和数学优化等关键技术加速信息与通信技术（ICT）绿色转型的路径。该研究提出节能型网络架构、动态资源编排以及多目标优化方法，可使接入网络的能耗降低高达70%，并以绿色编排为核心手段，实现能耗、时延和收入等相互冲突的关键性能指标（KPI）之间的平衡。

ABSTRACT

The exponential growth in networks' traffic accompanied by the multiplication of new services like those promised by the 5G led to a huge increase in the infrastructures' energy consumption. All over the world, many telecom operators are facing the problem of energy consumption and Green networking since many years and they all convey today that it turned from sustainable development initiative to an OPEX issue. Therefore, the challenge to make the ICT sector more energy-efficient and environment-friendly has become a fundamental objective not only to green networks but also in the domain of green services that enable the ICT sectors to help other industrial sector to clean their own energy consumption. The present paper is a point of view of a European telecom operator regarding green networking. We address some technological advancements that would enable to accelerate this ICT green evolution after more than 15 years of field experience and international collaborative research projects. Basically, the paper is a global survey of the evolution of the ICT industry in green networks including optical and wireless networks and from hardware improvement to the software era as well as the green orchestration.

研究动机与目标

• 应对由5G部署和数据流量增长所引发的ICT网络能耗持续上升问题，该问题已成为关键的运营支出（OPEX）与可持续发展挑战。
• 识别并评估可加速光网络、无线网络及数据中心基础设施向绿色网络转型的关键技术杠杆。
• 提出一个整合硬件能效、软件优化与数学建模的综合框架，以实现网络实时、节能感知的控制与编排。
• 通过智能绿色编排，使运营商能够在能耗效率、服务质量、时延与业务收入等相互冲突的KPI之间实现平衡。
• 通过将可持续性融入核心网络设计与工程教育，将绿色ICT定位为战略差异化优势。

提出的方法

• 推动从传统核心局所向有限数量的下一代核心局所（NGCO）/下一代点对点（NGPoP）转型，以集中化并优化能源使用，尤其针对内容分发网络（CDNs）的能效提升。
• 实施动态虚拟机（VM）整合与休眠模式激活，以最大化空闲资源利用率，从而降低数据中心能耗。
• 开发基于多目标优化与随机元模型的绿色编排大脑，以管理能耗、时延与服务质量之间的权衡。
• 引入基于博弈论的“按需付费”模型，公平分配端到端网络中过顶（OTT）服务的能耗，这些服务可能占网络总能耗的80%。
• 通过信令与数据平面分离，探索网络架构简化路径，以实现共享、节能的信令网络。
• 利用数据挖掘与数学工具，基于内容流行度与地理位置优化内容放置策略，以最小化能耗，同时满足时延要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过架构与技术创新，将占总ICT网络能耗约70%的接入网络能耗降低？
• RQ2 绿色编排在动态网络环境中，如何在能耗效率、服务质量与业务收入等相互竞争的KPI之间实现平衡？
• RQ3 博弈论与多目标优化如何应用于公平分配OTT服务与网络运营商之间的能耗成本？
• RQ4 软件生态设计与动态虚拟机管理在不损害性能或可靠性的情况下，如何降低数据中心能耗？
• RQ5 内容放置策略对端到端能耗效率有何影响？如何利用数据驱动与数学建模技术实现其优化？

主要发现

• 接入网络部分占总ICT网络能耗的约70%，是节能减耗工作的首要目标。
• 接入网络能耗主要由边缘设备（如光线路终端OLT）主导，其功耗几乎不随负载变化而改变。
• 尽管流量增长，传输网络的能耗保持稳定，表明该部分改进带来的相对节能增益低于接入网与核心网。
• 采用多目标优化的绿色编排可实现实时、非侵入式的网络配置控制，在能耗效率与服务质量、时延之间实现平衡。
• 数学建模，特别是随机元模型，可有效处理能耗数据中的不确定性，提升能耗响应预测的准确性。
• 基于博弈论的模型可实现对OTT服务间能耗成本的公平分配，最高可覆盖总网络能耗的80%，从而建立透明且公平的共享机制。